纤维素纤维在铁路隧道二次衬砌应用中的综合试验研究

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摘 要：铁路隧道二次衬砌混凝土在服役期间要求具有良好的耐久性，以抵抗外界不利因素的影响，达到设计使用寿命。掺入纤维是提高二次衬砌混凝土抗裂性、抗疲劳性、抗渗性等耐久性的措施之一。纤维素纤维因其具有亲水保水性、易分散性、耐碱性、优异的抹面饰面效果等独特性能特点在工程中得到广泛应用，在不损害混凝土工作性和力学性能的前提下，纤维素纤维能减少混凝土塑性收缩裂缝，控制裂缝扩展，减少混凝土缺陷，改善混凝土硬化后的连续性，提高结构耐久性。本文对纤维素纤维在铁路隧道二次衬砌的应用进行了综合研究，验证了纤维素纤维对二次衬砌混凝土耐久性的改善作用，为以后的工程实践提供借鉴。

关键词：纤维素纤维 铁路隧道二次衬砌 耐久性

一、前言

在山岭地区建设铁路时需要开凿大量隧道，为保证隧道结构的耐久性和服役寿命，在对隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩进行二次衬砌设计时，常采用简易钢架和单层钢筋网混凝土结构，以增强结构稳固性和延长结构服役期，但此结构工程造价较高，施工周期长，对混凝土早期开裂的抑制作用尚不明确。而纤维作为优良的抗裂增韧材料成为铁路隧道二次衬砌设计时可以考虑的另一有效措施。近年来第三代工程纤维——纤维素纤维正逐步代替传统化学合成纤维在美国得到大范围应用，纤维素纤维能大幅提高混凝土抗开裂性能，显著改善混凝土抗渗、抗冻融、抗化学腐蚀等耐久性能。

本文对纤维素纤维在三条铁路线（A、B、C）的隧道二次衬砌中的试验和应用进行了综合研究，分析了纤维素纤维对混凝土工作性能、力学性能以及抗裂性能、抗疲劳性能、抗渗性能等耐久性的影响。

二、混凝土配合比及试验方法

表1 混凝土原材料及配合比（kg/m3）

注：表中“基准”代表基准混凝土，“纤维”代表纤维素纤维混凝土，表中所有数据来源于相关工程试验室试验或现场试验，下同。

表2 试验方法

三、工作性能

表3 混凝土工作性能

表4 贵广线纤维素纤维混凝土坍落度和扩展度经时损失

隧道二次衬砌施工普遍采用整体式钢模板台车、泵送混凝土施工工艺，这要求混凝土具有良好的工作性，因此在混凝土配合比设计时应验证纤维对混凝土工作性的影响。总结上述三条铁路线隧道二次衬砌中纤维混凝土的工作性，表明纤维素纤维对混凝土工作性无明显不利影响，与基准混凝土相比，坍落度的变化在±15mm范围之内，而扩展度的降低主要归结于纤维的桥接作用提高了混凝土粘聚性，减少了混凝土的离析泌水现象，由表3可知纤维素纤维混凝土的离析率远低于基准混凝土，这使得混凝土基体更加均匀，减少收缩不均引起的裂缝。此外，纤维素纤维混凝土的坍落度经时损失也符合工程具体要求（见表4）。

四、力学性能

由表5可知纤维素纤维对混凝土各龄期抗压强度总体影响不大，大部分混凝土强度略有提高，这因为纤维内部有独特的空腔（图1），可以吸收一部分自由水，在混凝土硬化阶段又可以释放水份，促进未水化水泥颗粒的水化。此外纤维素纤维的亲水性使水泥水化产物沿着纤维表面生长，从而使纤维表面黏着大量的水泥浆体颗粒，增强混凝土与纤维间的握裹力（图2）。

表5 混凝土各龄期抗压强度

图1 纤维素纤维的内部空腔 图2 纤维素纤维表面的水化产物

五、耐久性

要延长铁路隧道主体结构的设计使用寿命，在提高结构构件承载能力的同时，也要提高支护衬砌结构，特别是二次衬砌的耐久性，这体现在要减少二次衬砌的裂缝，降低孔隙率，提高抗渗性，降低结构被侵蚀的风险[1-3]。纤维素纤维作为混凝土第三代工程用纤维，突出的性能优势是能大幅度减少混凝土塑性收缩裂缝，控制裂缝扩展，减少混凝土缺陷，改善混凝土硬化后的连续性，提高结构耐久性[3-4]。本小节分别讨论纤维素纤维对混凝土抗裂性能、抗疲劳性能和抗渗性能的影响。

1.抗裂性能

1.1 塑性期抗裂性能

引起混凝土开裂的因素有塑性收缩、干缩、温差、荷载等[5-8]，对于隧道二次衬砌，塑性收缩和荷载为裂缝首要成因，纤维素纤维对塑性收缩裂缝有显著的抑制作用。

混凝土塑性收缩裂缝是由新拌混凝土在塑性阶段的各种收缩引起的，包括毛细管压力收缩、塑性沉降收缩、早期化学收缩和早期自收缩等。纤维素纤维通过自身庞大的纤维根数（14亿根/立方混凝土）和较小的纤维间距（660μm），大幅增强混凝土与纤维间的握裹力，更有效的阻止裂缝扩展，提高混凝土匀质性[9]。表6中所列数据表明，纤维素纤维对混凝土塑性期抗裂性能的改善作用显著，裂缝改善率都达90%以上。

表6 混凝土塑性期抗裂性能

1.2 综合抗裂性能

混凝土除了受早期塑性收缩影响之外，在强度增长过程中还可能因为自收缩和干燥收缩产生的自应力而开裂[10-11]，通过圆环试验可以衡量纤维对混凝土综合抗裂性能的影响。利用静态数采仪记录钢圆环内壁在不同龄期时的应变值，数据采集频率为30min/次，然后在已知钢模自身弹性模量的基础上，计算出不同龄期混凝土由于收缩而产生的内应力。图3为不同纤维掺量的混凝土平均内应力速率。

图3 混凝土平均内应力速率

注：图中“基准”代表基准混凝土，“纤维”代表纤维素纤维混凝土。

根据ASTM C1581-04的规范，当龄期超过28d，混凝土平均应力速率若小于0.10MPa/day，则混凝土开裂倾向非常小；若平均应力速率介于0.10～0.17 MPa/day之间，则混凝土开裂倾向较小；若平均应力速率介于0.17～0.34 MPa/day之间，则混凝土开裂倾向较大；若平均应力速率大于0.34 MPa/day，则混凝土开裂倾向非常很大。由图3可知基准混凝土平均内应力速率为0.210 MPa/day，表明应力增长速率较快，开裂倾向较大；而纤维素纤维混凝土的平均内应力速率都低于0.10MPa/day，混凝土开裂倾向非常小，且随着掺量增大内应力增长速率降低，与基准混凝土相比，降幅达84%～95%。综合抗裂试验结果表明纤维素纤维对混凝土主要强度增长过程中的裂缝扩展有显著的抑制作用。

2.抗疲劳性能

隧道二次衬砌混凝土在服役期间主要受高速列车运行时引起的轨道振动荷载影响，在此疲劳荷载作用下混凝土内部会产生微细裂纹并且进一步扩展，降低混凝土耐久性以及服役寿命。本小节探讨了混凝土在经过受弯疲劳荷载后内部的损伤程度以及纤维素纤维对混凝土抗疲劳性能的改善作用，研究对象为武广线隧道二次衬砌混凝土。

首先由混凝土极限抗压强度试验换算得出试件的极限抗拉强度，由此可得疲劳试验可以施加的极限荷载，疲劳试验的主要目的是让试件受循环荷载作用，给试件一定程度的初始损伤；试验中采用的加载频率为5 Hz。待构件经50万次疲劳循环后卸荷，随后进行破坏试验，试验过程随后对试件取样，进行气渗试验，评价其损伤程度。

为比较循环荷载后混凝土的气渗性能，测定了在不同压力等级下的气渗系数，如表7所示。纤维素纤维混凝土在不同荷载等级及压力等级条件下，气渗系数都有降低，尤其在30%荷载等级下，降低的幅度更显著，达到40%左右。可见在疲劳荷载等级较高时，纤维素纤维对混凝土抗疲劳性能的改善作用更显著。

表7 不同荷载等级和压力等级下的气渗系数

3.抗渗性能

隧道工程对二次衬砌混凝土一般都有抗渗等级要求，以防隧道在地下环境中渗水，确保隧道在服役期内保持耐久性[12]。如表8所示，纤维素纤维改善了混凝土的抗渗性能，改善率达53.4%。

表8 贵广线混凝土抗渗试验结果

混凝土的抗渗性能与混凝土内部孔隙率以及孔隙大小密切相关，外界有害物质基本都是通过孔隙进入混凝土基体，因此降低孔隙率和孔隙直径对改善混凝土抗渗性能极其有利。通过压汞法测试水灰比为0.29的水泥净浆（基准试块、掺PP聚丙烯纤维试块和掺纤维素纤维试块）的孔隙率和平均孔径表明，纤维素纤维能够有效降低水泥基体的孔隙率和孔隙平均孔径，降幅分别达45%和23%以上，其中以掺量0.9kg/m3（纤维当量掺量）为最佳；而传统的聚丙烯纤维则引起混凝土孔隙率和平均孔径的增加（见图4）。这与纤维本身的特性相关，纤维素。

图4 水泥浆体孔隙率和平均孔径

注：图中PP代表掺聚丙烯纤维，UF代表掺纤维素纤维。

纤维具有亲水性，在水中易分散，同时还具有一定的保水性，能够在因水泥水化或外界环境因素影响造成浆体内部相对湿度降低的情况下，释放其保有的水分促进水泥进一步水化，减少孔隙，细化浆体孔径，其亲水特性还能增强水泥基体对纤维的握裹作用；而聚丙烯纤维呈憎水性，长径比较大，因此其在浆体内部的分散情况要弱于纤维素纤维，且憎水特性使其容易在纤维和水泥基体之间存在较大水胶比的微界面，弱化其对孔结构以及抗渗性的整体改善。

六、结论

1.纤维素纤维对混凝土工作性没有明显负面影响，纤维混凝土和易性良好，坍落度损失速率正常，且离析泌水现象大大减少。

2.纤维素纤维总体上略提高了混凝土的抗压强度，增强了二次衬砌混凝土的承载功能。

3.纤维素纤维对混凝土的耐久性有显著的改善作用，对混凝土早期塑性收缩裂缝以及自收缩、干缩引起的裂缝具有明显的抑制作用；改善隧道二次衬砌在长期轨振荷载作用下的抗疲劳性能；降低混凝土孔隙率，提高混凝土密实性，改善混凝土的抗渗性能。纤维素纤维对于延长铁路隧道二次衬砌的服役寿命具有重要意义。

参考文献

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